H-NS kot regulator transkripcije in strukture bakterijskega kromatina
Molekularni mehanizmi regulacije transkripcije s H-NS
Protein H-NS vpliva na lokalno strukturo bakterijskega kromatina in s tem na regulacijo transkripcije. Mehanizem njegovega delovanja je dobro ponazorjen na primeru operona proVWX, kjer H-NS uravnava izražanje strukturnih genov v odzivu na spremembe v osmolarnosti.
Funkcija in struktura operona proVWX
Operon proVWX (oz. proU), prisoten v bakteriji E. coli, se aktivira ob hiperosmotskem stresu. Njegovi strukturni geni namreč kodirajo podenote membranskega transportnega kompleksa ProU, ki omogoča vnos osmoprotektantov v celico in s tem znižanje osmotskega potenciala citoplazme. Operon je sestavljen iz več elementov, ki si v genomu sledijo v naslednjem zaporedju: URE (angl. Upstream Regulatory Element), promotor P2, DRE (angl. Downstream Regulatory Element) ter nazadnje strukturni geni proV, proW in proX. Genu proX sledi tudi gen ygaY, ki sicer ni del operona, vendar ima pomembno vlogo pri interakciji z DRE in organizaciji kromatina.
Vloga H-NS mostov pri regulaciji transkripcije
Struktura H-NS in s tem njegov vpliv na organizacijo DNA znotraj operona sta odvisna od osmolarnosti. Pri nizki osmolarnosti H-NS tvori dva funkcionalno različna mostova: URE:H-NS:DRE in DRE:H-NS:ygaY (slika 8a: [1]). Most URE:H-NS:DRE povzroča nastanek DNA zanke, znotraj katere se nahaja promotor P2. Takšna konformacija deluje represivno, saj preprečuje vezavo RNA-polimeraze na promotor in s tem onemogoča iniciacijo transkripcije. V primeru, da je RNA-polimeraza že vezana na promotor, se ujame znotraj zanke in ne more preiti v fazo elongacije. Most DRE:H-NS:ygaY pa ne vpliva neposredno na iniciacijo, lahko pa predstavlja fizično oviro za RNA-polimerazo med elongacijo. Ob povečani osmolarnosti pa pride do konformacijske spremembe H-NS, ki zmanjša njegovo sposobnost hkratne vezave dveh DNA regij. Posledično se most URE:H-NS:DRE razgradi, H-NS pa preide v obliko filamenta, vezano bodisi na DRE bodisi na URE. S tem se zanka sprosti, promotor postane dostopen, RNA-polimeraza pa lahko začne ali nadaljuje s transkripcijo (slika 8b: [2]). Med elongacijo mora RNA-polimeraza preiti tudi regijo DRE. Če filamentna oblika H-NS ostane vezana na DRE, to encimu ne preprečuje napredovanja, saj med elongacijo ustvarja mehansko silo, ki omogoča njegovo napredovanje vzdolž DNA in odstranjevanje vezanega H-NS. Nasprotno se most DRE:H-NS:ygaY ob povišani osmolarnosti ne razgradi, temveč se le delno destabilizira. Takšna oslabljena struktura pa ne predstavlja več učinkovite ovire za RNA-polimerazo, zato ta med elongacijo nemoteno prehaja skozi to regijo. Regulacija operona proU tako temelji na usklajenem, vendar diferencialnem odzivu obeh mostov na spremembe v osmolarnosti.
Vpliv IHF na organizacijo DNA in stabilnost H-NS mostov
Razlike v odzivu posameznih H-NS mostov na osmolarnost so verjetno posledica delovanja drugih NAP proteinov, kot je IHF. IHF se veže na specifično mesto med regijama URE in DRE ter povzroča močno upogibanje DNA z interkalacijo enega ali dveh prolinskih ostankov med bazne pare. Pri nizki osmolarnosti IHF interkalira oba prolinska ostanka, kar vodi v tvorbo popolnoma upognjene konformacije DNA (oblika črke U) (PDB: 1IHF). S tem se regiji URE in DRE prostorsko približata, kar stabilizira most URE:H-NS:DRE. Ob visoki osmolarnosti pa IHF interkalira le en prolinski ostanek, kar vodi v sprostitev enega kraka DNA. DNA tako zavzame delno upognjeno konformacijo (oblika črke L), razdalja med URE in DRE pa se poveča, kar dodatno destabilizira most URE:H-NS:DRE. Nasprotno pa IHF nima pomembnega vpliva na most DRE:H-NS:ygaY, saj konformacija DNA med tema dvema regijama ostaja nespremenjena.
